学文网过去十五年以来，自动化测试领域出现了一些明显的趋势：从设计到生产的每个阶段，自动化程度越来越高；单一的待测设备往往集成了多种的标准和协议；从商业角度考虑，缩短产品投放市场时间的压力也与日俱增；与此同时，着眼于整个经济环境的大背景下，各个企业也都面临着更加严峻的成本控制要求；此外，对制造业的自动化测试而言，测试设备的体积和功耗已经无法再随着测试需求线形增长。
PXI平台的出现为自动化测试提供了一种新的思路。NI于1997年提出PXI标准，标准化的商业技术让PXI技术在过去十五年中以惊人的速度在测试和控制应用领域得到广泛的接受，并且已经成为主流的模块化仪器平台。不仅得到众多主流测试测量厂商的支持，而且全球各地的用户基于PXI平台在多个领域实现各种不同的应用。本文将对PXI规范进行概述并介绍一些最新发展及应用。
PXI技术概览
PXI(PCIeXtensionsforInstrumentation)是一种基于PC技术的面向测试测量和自动化应用的坚固平台。PXI标准将CompactPCI标准（具有PCI电气总线特性，同时具有坚固的、模块化的欧卡封装）与专用同步总线和软件特性结合在一起。该标准由PXI系统联盟（PXISA）进行管理，这是一个由世界各地超过50家公司共同签约的联盟，其宗旨是为了推动PXI标准的应用，保证各厂商产品的互操作性，并维护PXI规范。随着商业PC的总线技术从PCI演进到了PCIExpress，显著地拓展了总线的可用带宽，PXI也将PCIExpress集成到PXI标准中，以满足更多的应用需求。PCI工业制造商协会（PICMG，管理CompactPCI标准）与PXI系统联盟共同努力，确保PXI背板中集成了PCIExpress技术之后，仍然维持与原有系统的后向兼容性。通过利用PCIExpress技术，PXIExpress将PXI中的可用带宽从132MB/s提高到6GB/s，提高了45倍多。
PXI系统由三个基本部分组成--机箱、控制器、以及I/O模块。基于PXI的这种模块化架构，可以实现系统部分组件的单独升级，并且可以使测试系统能快速利用这些升级的组件所带来的新技术。
PXI系统的一个关键优势在于集成了定时和同步特性，这可以减少不同仪器之间实现触发和同步功能的复杂性：PXI机箱背板上整合了一个10MHz的专用系统参考时钟（***1），通过等长的背板走线传输到各插槽，各插槽之间的时钟偏差小于1ns；10MHz系统时钟的精度是由机箱决定的，典型值小于百万分之25（25ppm），并且通过在机箱的星形触发插槽（槽位2）安装一块具有更稳定时钟源的板卡（例如拥有板载OCXO的NIPXI-6653），可进一步提高系统参考时钟的精度。这样可以用这个具有更高稳定性的参考时钟来取代背板的10MHz时钟。不同模块上速率更高的采样时钟可以锁相至该稳定的10MHz参考时钟，从而提高多个模块化仪器之间的同步性能。也可以输出这个10MHz时钟，用以同步多个PXI机箱和其他模块仪器时作为参考时钟。除了参考时钟，PXI背板上也提供由8条TTL传输线组成的触发总线，从而允许系统中的任意模块都可设置一个可以被其他任意模块检测到的触发信号。以PXI为基础，PXIExpress提供了更多的定时和同步功能--100MHz的差分系统时钟、差分信号传输以及差分星形触发总线。采用差分时钟和同步，PXIExpress系统中仪器时钟的抗噪声性能进一步提高，并且可以以更高速率传输数据。
***1PXI及PXIExpress机箱为模块化系统集成提供了最佳的定时和同步性能
***2PXIExpress背板在集成PCIExpress的同时仍然保持着对现有PXI模块的兼容，用户可以在得益于带宽提升的同时保持对现有系统的后向兼容性
PXI规范的最新发展
PCIExpress
正如在PXI技术概览中所提到的，PCIExpress相比PCI可增加超过45倍的总线吞吐量。由于此性能的增强，PXIExpress可以用于很多新型应用领域，其中很多领域在以前只能由昂贵的专用硬件实现。特别地，在国防和航空航天自动化测试领域，PXIExpress所拥有的更高的带宽为许多应用提供了新的解决方案：
利用高带宽的中频仪器进行通信系统测试
高速数字协议接口（包括基于LVDS的专用协议、IEEE1394、光纤信道等）
用于结构和声学测试的高通道数数据采集
高速***像采集
当PCIExpress技术被集成到PXI中，基于PXIExpress实现许多新应用的同时，许多现有的PXI应用并不会得益于PXIExpress的性能提升。比方说，诸如数字万用表（DMM）、开关模块、工业I/O、低速总线接口、以及许多主流的发生器和分析仪等I/O应用并不需要背板新增的带宽。因此，PXIExpress规范的一个非常有价值的方面就是PCI以及PCIExpress信号都可以被路由到新的插槽中去。其结果是，仪器厂商并不需要针对新的PXIExpress背板而重新设计所有的现有板卡模块；与此相反，仪器厂商会继续生产符合PXI信号标准的产品，因为目前的PCI总线架构可以满足这些模块的数据带宽需求并且所有的混合插槽都支持PCI总线信号（***2）。
PXImc
继将PCIExpress技术引入PXI规范之后，PXI系统联盟于2009年11月了PXIMultiComputing(PXImc)规范，以满足日益增长的构建更大更复杂测控系统的需要。这些系统应用的一个共同点在于，工程师需要以最小的延迟来传输和处理大量的数据。PCIExpress能提供数千兆Byte每秒的数据传输速率及微秒级的延迟，因此，PCIExpress能够很好的适应数据传输的需求。PXImc通过定义特别的硬件和软件接口，允许不同的PXIExpress系统（分别拥有各自***的控制器）通过内部总线实现相互通信，从而为分布式处理应用提供了一个拥有多个多核CPU的系统。
PXImc规范同样也允许处理系统使用板载的PCIExpress非透明桥接器，通过点对点（Peer-to-Peer）的方式实现PXImc设备和其他PCIExpress板卡之间通信。正是因为这个特性，可以在PXIExpress机箱的非控制器插槽中安置这种处理器模块，实现与PXIExpress板卡通信，若有需要的话，再通过机箱背板的PCIExpress总线与系统的主控制器进行通信。在PXI机箱中使用附属控制器的这种方法极大提升了单一系统的总处理能力，同时仍保持着紧凑而稳固的系统集成，这对一些有大运算量处理要求、同时又有体积或有可移动性要求的测试测量应用而言，是一个理想解决方案。
PXI技术的最新应用
PXI已成为主流的自动化测试测量与控制应用平台，广泛应用于航空航天、国防、汽车、消费电子、半导体、基础设施维护、能源与电力、生物医电、前沿技术研究与科学实验等多个领域。无论用户准备构建一个仪器平台、数据采集系统、自动化测试系统、工业自动化系统、或是实时控制系统，PXI的开放式工业标准特性都能够帮助降低系统的总成本和开发时间，增强系统性能和带宽，使系统集成工作变得轻松简单，同时确保系统具有长期可维护性。
除了测试测量应用之外，PXI在控制领域也有越来越多应用。有些测试测量应用本身就带有控制，例如风洞测试。在洛克希德·马丁公司的飞机风洞测试系统改造项目中，运行实时操作系统的PXI平台不仅需要对各处传感器信号进行采集，而且需要在50毫秒内进行45万次谐振条件计算，从而对进气口的气流方向进行实时控制。在某些对实时性要求更高的控制应用中，通过带有FPGA的PXI模块可以实现硬件级的闭环响应时间确定性。例如在欧洲核子研究中心(CERN)的大型例子对撞机项目中（***3），通过120台带有FPGA的PXI系统实现对电机的精确控制。
***3欧洲核子研究中心的大型例子对撞机项目要求在27km的圆周管道内，运动同步精度达到毫秒级
最终方案基于带有FPGA的PXI硬件实现
伴随着一些新兴行业的出现与发展，PXI在这些行业中也有越来越多的应用。例如在物联网产业中，上海聚星仪器公司基于NIPXI射频平台开发的RFID测试系统可以覆盖各种RFID协议的测试。在可再生能源产业，PXI平台被用于太阳能光伏电池测试、风机零部件测试、风机硬件在环仿真(HIL)等多种应用。在混合动力汽车的研发与生产中，PXI平台也被用于燃料电池控制系统与车身控制系统的硬件在环仿真(HIL)测试等应用，例如清华大学汽车工程系基于NIPXI平台开发了混合动力客车的硬件在环仿真系统，验证了其所设计的控制器原型。
总结
PXI以惊人的速度在测试测量和控制应用领域得到广泛的接受，已成为这一领域的主流平台。同时随着PXI新产品功能的日益丰富，各种新应用也不断被开辟。我们相信，开放的PXI平台在未来仍将帮助工程师与科学家加速许多新兴应用的实现。
转载请注明出处学文网 » PXI技术最新发展与应用